Garantire l’isolamento negli sviluppi Fieldbus

ISOLAMENTO –

La comprensione delle tecnologie di isolamento d’interfaccia Fieldbus e dei relativi compromessi costituisce il primo passo per garantire che gli sviluppi risultino tanto resistenti quanto l’ambiente in cui vengono impiegati.

Gli ambienti difficili ed esigenti, in cui i sistemi industriali e di produzione collegati a Fieldbus devono funzionare, rappresentano sfide uniche per gli sviluppatori.
Fieldbus è una raccolta di vari protocolli di rete informatica industriale e standard di rete utilizzati per il controllo distribuito in tempo reale. Unificato e armonizzato nello standard IEC 61158, Fieldbus offre agli sviluppatori un arsenale ben rifornito di tecnologie per collegare, controllare e gestire le apparecchiature automatizzate negli impianti di produzione o in altri ambienti difficili. Un sistema industriale automatizzato si basa spesso su una gerarchia organizzata di sistemi di controllo. In questa gerarchia, in genere un'Interfaccia di macchina umana è al vertice, trattandosi di un operatore che può monitorare o gestire il sistema. Questo è tipicamente collegato a un livello intermedio di controller logici programmabili mediante un sistema di comunicazione senza criticità temporale come Ethernet. Alla base della gerarchia di controllo c'è il Fieldbus che collega i Plc ai componenti che svolgono il lavoro della linea di assemblaggio, come sensori, attuatori, motori elettrici, luci di consolle, interruttori, valvole e contattori. Lo standard Fieldbus IEC 61158 definisce otto diversi set di protocollo, anche noti come "Tipi". Questi Tipi sono utilizzati anche come base per un ampio numero di standard Fieldbus specifici per applicazione e relative specifiche fisiche, di Data Link (Collegamento dati) e Application Layer (Livello di applicazione). Gli standard più comunemente utilizzati per le applicazioni di automazione industriale includono Profibus, DeviceNet e Can Bus.

Tre grandi sfide
Le tre sfide principali, affrontate da chiunque sviluppi interfacce Fieldbus con base elettrica, sono immunità al rumore (Emi/Rfi), isolamento ad alta tensione e latenza bus. Questi tre aspetti sono collegati in qualche modo ai componenti di isolamento utilizzati nelle progettazioni Fieldbus per garantire che il controller bus e l'elettronica su cui si basano siano protetti elettricamente da transitori di tensione indotti da Emi/Rfi e incursioni ad alta tensione.

Considerazioni su Emi/Rfi in rame
Grazie ai requisiti a basso costo e alla semplice installazione delle interfacce elettriche a base di rame, molte reti Fieldbus le impiegano preferendole alle alternative a base di fibra disponibili per Can e alcuni altri standard Fieldbus. Anche se generalmente più lenti e in grado di supportare tempi di rete più brevi rispetto ai concorrenti ottici, i ricetrasmettitori elettrici offrono costi di cablaggio inferiori e compatibilità diretta con la vasta base installata di sistemi più vecchi, “passati” già in uso in numerose strutture industriali. Purtroppo, le energie elettromagnetiche disperse causano interferenze elettromagnetiche e da radiofrequenza sul cablaggio Fieldbus di rame. Rfi è generalmente un fenomeno a banda stretta e può originarsi da una vasta gamma di fonti come telefoni cellulari, linee di energia elettrica, trasformatori, apparecchiature medicali, interruttori elettromeccanici, alcuni motori e molte altre fonti di emissione presenti in ambito industriale. L'Emi è devastante su una rete non protetta, e questo in due modi. L'Emiirradiata viaggia nell'aria e, come dice il nome stesso, l'Emi condotta viaggia lungo un percorso conduttivo. Entrambe le tipologie di Emi possono interferire con il corretto funzionamento dell'apparecchiatura, contaminando il segnale bus oltre la possibilità di riconoscimento e, in alcuni casi, danneggiando fisicamente i componenti elettronici.

Adottare una politica isolazionista   
La disciplina di attenuazione di Emi/Rfi si ottiene generalmente mediante combinazione di rimozione e riduzione di qualsiasi fonte di interferenza e buone prassi di sviluppo che includono la scelta di dispositivi meno sensibili ad Emi, ottimizzando l'impostazione al fine di ridurre al minimo gli effetti di accoppiamento ed applicando opportune pratiche di schermatura.
Inoltre, gli standard Fieldbus richiedono l'utilizzo di isolatori su ogni ricetrasmettitore di rete per evitare che Emi, Rfi, o tensioni parassite si facciano strada dai cavi bus fino alla propria apparecchiatura (o uscendo dalla propria apparecchiatura fino al bus). Tutte le soluzioni di isolamento disponibili sul mercato si basano su Cmos o circuiti integrati bipolari ed utilizzano tecniche di isolamento capacitivo, ottico o induttivo. Gli optoaccoppiatori o isolatori ottici rappresentano la tecnologia di isolamento più comunemente impiegata nelle applicazioni Fieldbus. Essi hanno garantito per decenni la sicurezza elettrica in applicazioni industriali e si presentano in una vasta gamma di fattori di forma, livelli di tensione e gradi di velocità per soddisfare in pratica ogni tipo di applicazione.

La sicurezza delle apparecchiature
Oltre a proteggere contro gli effetti di Emi/Rfi, gli sviluppatori devono tenere conto della sicurezza di apparecchiature e componenti, in particolare quando sono implicati tensioni elevate (superiori a 48 Vdc, 110 Vac). Ciò richiede la protezione dell'apparecchiatura (e di qualsiasi cosa sia collegata alla stessa) contro la sfortunata capacità del cablaggio Utp a base di rame di Fieldbus di agire quale conduttore delle alte tensioni, spesso tipiche dei sistemi industriali.
Il ricetrasmettitore Fieldbus in un sistema di automazione industriale è generalmente circondato da dispositivi di avvio del motore, servocomandi, controller logici programmabili e convertitori di potenza. Inoltre, in molte fabbriche, strumenti e scatole di controllo di automazione sono collocate con sistemi industriali ad alta alimentazione di corrente, che possono comprendere alimentatori ed elementi di controllo che funzionano nel campo di molti kV.
Tutti questi fattori richiedono tassativamente che gli isolatori collegati a un Fieldbus di rame debbano proteggere da qualsiasi tensione CA o CC potenzialmente letale che possa emergere inaspettatamente dalla propria apparecchiatura o da quella di chiunque altro durante il normale funzionamento, un malfunzionamento dell'apparecchiatura o altro incidente.

Considerazioni sull'isolamento
Qualsiasi tecnologia impieghino, i componenti dell'isolatore devono possedere caratteristiche di isolamento che contribuiscano a soddisfare due principi fondamentali per lo sviluppo della sicurezza del prodotto: la separazione di circuiti che rappresentano un pericolo di elettrocuzione da altri circuiti; la separazione di parti dell'apparecchiatura con cui l'utilizzatore può entrare in contatto o che collegano ad altra apparecchiatura. Inoltre, il circuito deve essere sicuro sia durante l'utilizzo normale, sia in condizioni di guasto. Lo standard di sicurezza Iec 60747-5-5 definisce due livelli di isolamento con una chiara distinzione per la sicurezza - Di base e Rinforzato. Si ritiene che l'isolamento di base per definizione fallisca o risulti di breve durata in singole condizioni di guasto. A confronto, l'indice di 'Isolamento rinforzato' può essere approvato e applicato a componenti “qualificati per il funzionamento a prova di guasto” che offrono sia protezione di base da scosse elettriche che supportano progettazioni di 'funzionamento a prova di guasto' che consentono l'accesso sicuro all'utente durante un guasto dell'apparecchio. IEC 60747-5-5 è stato programmato specificamente ed esclusivamente per isolatori ottici, ma i dispositivi che utilizzano altre tecnologie di isolamento, come barriere di isolamento magnetico capacitivo, hanno ottenuto certificazioni di 'Isolamento di base' a questo standard di sicurezza di optoaccoppiatore. Come osservato, l'isolamento di base può non offrire una prestazione di 'Funzionamento a prova di guasto', in modo che dispositivi non isolati otticamente non possano essere ritenuti 'a prova di guasto' e quindi non dovrebbero essere accessibili ad un utente.

Considerazioni sulla propagazione
Gli sviluppatori devono essere anche consapevoli del contributo dell'isolamento a un ritardo di propagazione del sistema generale di rete Fieldbus. Il ritardo di sistema consiste nei ritardi combinati del ricetrasmettitore Can, del controller Can e dell'optoaccoppiatore. È fondamentale che la somma dei ritardi di propagazione dei componenti non superi il valore specificato per garantire che il dispositivo sia capace di funzionare entro la distanza di cavo massima alla velocità di bit corrispondente. Lo standard Can richiede un periodo di ritardo massimo di 40 ns per l'isolatore. Ciò si traduce indirettamente in una velocità di 25 MBd (1/40 ns).

Tecnologie di isolamento ottico e magnetico a confronto
Nel corso degli anni, i produttori hanno aggiunto nuove funzionalità, maggiore isolamento, tensioni di isolamento più elevate e pacchetti più piccoli al proprio assortimento di prodotti di optoaccoppiatori. Tuttavia, la complessità relativamente elevata di strutture di optoaccoppiatori e aspetti relativi alla prestazione nelle generazioni precedenti, ha creato un'opportunità di mercato per altri tipi di isolatori basati su tecnologia magnetica e capacitiva. Come risultato, diversi prodotti di isolamento accoppiati magneticamente, sono emersi sul mercato e promettono di offrire una migliore integrazione, dimensione e velocità. Mentre i produttori possono comprovare quanto dichiarato, alcuni quesiti fondamentali sulla loro affidabilità e robustezza sono rimasti senza risposta. E come vedremo fra poco, ogni tecnologia di isolamento si comporta in modo differente in presenza di tensioni elevate e campi elettromagnetici forti.

Affidabilità e robustezza
Alcune delle rivendicazioni sugli isolatori magnetici sono state valutate di recente in una serie di test finalizzati a stabilire per quanto tempo un dispositivo di isolamento particolare può isolare correttamente un lato della propria barriera di isolamento da alte tensioni sull'altro lato. Il test è stato strutturato in modo da esaminare l'affidabilità dell'apparecchio sulla base di due parametri: prestazione ad alta tensione e integrità di isolamento. Il test sulla durata ad alta tensione è stato un test distruttivo in cui l'alta tensione è stata applicata a dispositivi di isolamento magnetico da un produttore rinomato e optoaccoppiatori di Avago. Conformemente alle schede dati dei dispositivi, 2,5kV è stata applicata costantemente agli isolatori magnetici e un gruppo di optoaccoppiatori Avago è stato sottoposto a una tensione più elevata (3,75 kV). Gli isolatori magnetici sono stati distrutti tra 8,5 ore e 10,5 ore di test continuo, mentre gli optoaccoppiatori Avago hanno sopravvissuto a una durata minima di 168 ore alla tensione più elevata di 3,75 kV.

Distanza per isolamento
Lo spazio interno, o distanza attraverso isolamento, costituisce un altro importante metro di misura per la protezione elettrica. Se applicato ad optoaccoppiatori, Dti si definisce come la distanza diretta tra fotoemittente e fotorilevatore all'interno della cavità dell'optoaccoppiatore.
Gli attuali fornitori di isolatori con base non ottica non offrono prodotti che soddisfano la specifica minima Dti di 0,4 mm. I loro attuali portafogli di prodotti offrono specifiche tipiche Dti di circa 0,018 mm; ciò basta di per sé perché gli sviluppatori ci pensino due volte prima di scegliere un isolatore magnetico o capacitivo per un'applicazione medica o di test e misurazione. Mentre la combinazione di Led/fotodiodo dell'optoaccoppiatore è considerata immune da Emi a causa del percorso di accoppiamento ottico, gli isolatori magnetici non hanno limitazioni con riferimento ad Emi a causa della loro microstruttura e dell'accoppiamento magnetico. Il guasto dell'accoppiatore magnetico può verificarsi a corrente CC (0 Hz) come a varie frequenze e con diversi livelli di forza di campo. I risultati di questi studi indicano che l'isolamento ottico offre una prestazione Emi superiore e può resistere a campi elettromagnetici molto più elevati rispetto ad altre tecnologie di isolamento attualmente sul mercato. Questo supporta l'affermazione secondo cui gli optoaccoppiatori sono la migliore scelta per applicazioni Fieldbus esigenti.

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